Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Théorème de Heine

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Solution by Uettechat · FR

Soit ff une fonction réelle continue un segment.
On note [a,b][a,b], où b>ab>a ce segment.

Supposons que par l’absrude que ff n’est pas uniformément continue sur [a;b][a;b]
Cela signifie qu’il existe ϵ0>0\epsilon_{0}>0 tel que ∀η>0,∃x,y∈[a,b],∣x−y∣≤η et ∣f(x)−f(y)∣>ϵ0\forall \eta > 0, \exists x,y \in [a,b], |x-y|\leq \eta \text{ et } |f(x)-f(y)|> \epsilon_{0}

Ainsi, il existe deux suites (xn)n(x_{n})_{n} et (yn)n(y_{n})_{n} à valeurs dans [a,b][a,b] telles que ∀n∈N∗,∣xn−yn∣≤1n et ∣f(xn)−f(yn)∣>ϵ0\forall n \in \mathbb{N^{*}}, |x_{n}-y_{n}|\leq\frac{1}{n} \text{ et } |f(x_{n})-f(y_{n})|>\epsilon_{0}.
La suite (xn)n(x_{n})_{n} étant bornée, par théorème de Bolzano-Weierstrass, il existe ϕ:N→N\phi : \mathbb{N} \to \mathbb{N} une extractrice telle que (xϕ(n))n(x_{\phi(n)})_{n} converge vers α∈[a,b]\alpha \in [a,b].
On a alors ∀n∈N∗,∣xϕ(n)−yϕ(n)∣≤1ϕ(n) et ∣f(xϕ(n))−f(yϕ(n))∣>ϵ0\forall n \in \mathbb{N^{*}}, |x_{\phi(n)}-y_{\phi(n)}|\leq\frac{1}{\phi(n)} \text{ et } |f(x_{\phi(n)})-f(y_{\phi(n)})|>\epsilon_{0}.
Donc xϕ(n)−yϕ(n)→0x_{\phi(n)}-y_{\phi(n)} \to 0 donc yϕ(n)=xϕ(n)−(xϕ(n)−yϕ(n))⟶αy_{\phi(n)} = x_{\phi(n)} - (x_{\phi(n)} - y_{\phi(n)}) \longrightarrow \alpha
Par passage à la limite, et par continuité de f en α\alpha, il vient que 0>ϵ0>00>\epsilon_{0}>0, ce qui est contradictoire.
Donc f est uniformément continue sur [a;b][a;b]

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